張玉偉，謝永利,2，賴金星,2,3, 李又云,2

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；3. 南洋理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院防護技術(shù)研究中心, 新加坡 639798)

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壓入式通風(fēng)模式下高原隧道有害氣體分布特征研究

張玉偉1，謝永利1,2，賴金星1,2,3, 李又云1,2

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；3. 南洋理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院防護技術(shù)研究中心, 新加坡 639798)

針對高原隧道特點，進行風(fēng)機選型研究，利用現(xiàn)場監(jiān)測手段得到粉塵和CO的分布特征，結(jié)合流體力學(xué)原理推導(dǎo)有害氣體沿隧道軸向變化規(guī)律及工作區(qū)處隨通風(fēng)時間的變化規(guī)律，建立隧道中有害氣體時空分布模型，并對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和模型預(yù)測進行對比驗證。結(jié)果表明：有害氣體濃度沿隧道軸向呈線性增長分布，掌子面工作區(qū)濃度隨通風(fēng)時間呈指數(shù)下降變化；不同施工工序CO和粉塵濃度差異較大，應(yīng)根據(jù)不同工序合理選擇風(fēng)機功率，通風(fēng)距離和通風(fēng)時間關(guān)系著CO和粉塵濃度，可根據(jù)理論預(yù)測值合理選擇不同工序下的風(fēng)機風(fēng)量及通風(fēng)時間。最后建議針對高原隧道施工環(huán)境的綜合措施。

高原隧道；壓入式通風(fēng)；有害氣體濃度；監(jiān)測；分布特征

2. Shanxi Provincial Major Laboratory for Highway Bridge & Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064, China；3. Visiting Researcher of Protective Technology Research Centre (PTRC),School of Civil and Environmental Engineering , Nanyang Technological University, Singapore 639798)

高原與平原環(huán)境差異巨大，對于隧道工程而言，施工環(huán)境直接制約著施工進度和技術(shù)人員的身體健康。高原隧道空氣成分和氣壓變化使得施工通風(fēng)設(shè)計與平原存在差異[1-4]。由于缺乏對高原隧道施工中有害氣體分布規(guī)律的認識，高原通風(fēng)常常依據(jù)平原通風(fēng)經(jīng)驗進行，普遍存在通風(fēng)效果不佳現(xiàn)象[5]。平原隧道通風(fēng)已多有研究，鄧祥輝等[6]基于CFD理論，對壓入式通風(fēng)氣流運動采用三維紊態(tài)RNG k-ε湍流模型進行三維數(shù)值模擬，得到了施工期隧道內(nèi)流場和濃度場隨時間在洞內(nèi)的分布變化規(guī)律；王曉玲等[7]采用PISO算法求解非穩(wěn)態(tài)的風(fēng)流組織和CO濃度場，應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件STAR-CD對云南南汀河引水隧洞獨頭掘進工作面通風(fēng)進行了模擬分析；劉釗春等[8]采用ADINA對壓入式通風(fēng)條件下掘進隧道的有害氣體濃度擴散進行了三維空間數(shù)值模擬，得到了有害氣體濃度隨通風(fēng)時間的變化規(guī)律；劉敦文等[9]運用 Fluent 軟件模擬分析隧道出碴過程洞內(nèi)流場及 CO 濃度分布，得出了隧道出碴過程洞內(nèi)通風(fēng)流場特性及 CO 濃度場空間分布規(guī)律；梁文灝等[10]研究了烏鞘嶺長大隧道通風(fēng)方案的可行性；Klemens等[11]對海底隧道粉塵運移規(guī)律進行了研究，優(yōu)化了通風(fēng)方式；譚信榮等[12]依托長大隧道工程通風(fēng)現(xiàn)狀提出了施工通風(fēng)優(yōu)化措施?？梢钥闯觯鲜鲅芯慷噌槍τ谄皆瓍^(qū)隧道，對于高原區(qū)隧道施工通風(fēng)的研究尚顯不足，且現(xiàn)有研究多采用數(shù)值模擬的方法，缺乏現(xiàn)場實測資料的支持，鑒于此，采用現(xiàn)場實測手段揭示高原隧道施工中的有害氣體濃度分布規(guī)律，選擇合理的通風(fēng)方式并評價通風(fēng)效果具有重要意義。本文以施工中的雞丑山隧道為依托，基于高原區(qū)隧道特點進行風(fēng)機選型設(shè)計，結(jié)合流體力學(xué)假設(shè)氣流為理想氣體，計算掌子面工作區(qū)有害氣體濃度分布及沿隧道軸向分布，給出壓入式通風(fēng)模式下有害氣體濃度分布規(guī)律；利用現(xiàn)場測試手段，采用濾膜測塵法和便攜式CO檢測儀，對不同施工工序粉塵和CO濃度進行跟蹤監(jiān)測，得到沿隧道軸向、通風(fēng)時間的時空分布規(guī)律，并與理論分析進行對比，掌子面工作區(qū)處有害氣體濃度隨通風(fēng)時間呈指數(shù)下降，隨隧道軸向基本呈線性規(guī)律增長，可以利用文中公式對不同斷面，不同時間時有害氣體濃度預(yù)測，為選擇通風(fēng)風(fēng)量及通風(fēng)時間提供參數(shù)。最后結(jié)合測試結(jié)果綜合分析通風(fēng)距離、通風(fēng)時間對通風(fēng)效果的影響，并建議了環(huán)境優(yōu)化措施，可為高原隧道施工環(huán)境控制提供參考。

1　雞丑山隧道通風(fēng)方案

1.1工程概況

雞丑山隧道位于四川省甘孜州，為克服高差避開冰雪及霧期較長的路段，采用2 745 m的長隧道，隧道進口位于杜庫溝左岸土質(zhì)斜坡，里程為K114+970，地面標高4 200 m，隧道出口位于克希隆右岸土質(zhì)斜坡，里程為K117+706，地面標高為4 199.21 m。隧道施工按新奧法實施，主要采用機械化作業(yè)，臺階法開挖，出渣全部采用無軌運輸方式，通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)。該地區(qū)海拔高，氣溫低，氣壓低，氧氣含量低，根設(shè)計據(jù)資料，海平面地區(qū)氧分壓為21.15 kPa，隧址區(qū)氧分壓只有12.64 kPa，環(huán)境條件惡劣，因此必須做好施工通風(fēng)設(shè)計，嚴格控制隧道內(nèi)施工環(huán)境。

1.2通風(fēng)設(shè)計及風(fēng)機選型

1.2.1高原隧道特點

平原地區(qū)氧氣充足，施工機械排放的有害氣體濃度少，洞內(nèi)環(huán)境主要受到出渣揚塵和炮煙控制，但高原地區(qū)，氣壓低，氧分壓低，環(huán)境溫度低，在強負荷條件下導(dǎo)致施工機械的功率下降，CO等有害氣體的排放明顯增加，已成為高寒隧道施工通風(fēng)的控制因素[13-15]，高原區(qū)特殊的環(huán)境條件對于風(fēng)機選型也有一定影響[16]。

表1　高原隧道與平原隧道差別Table 1 Difference of plateau tunnel and plain tunnel

1.2.2風(fēng)量計算

按高原隧道內(nèi)最多工作人數(shù)計算需風(fēng)量：

Q1=Nmax×K×q1

(1)

式中：Nmax為隧道內(nèi)同時工作最大人數(shù)；K為高海拔風(fēng)量備用系數(shù)；q1為每人每分鐘供給風(fēng)量。

按炸藥用量計算所需風(fēng)量：

(2)

式中：A為一次爆破最多炸藥量；L為最大排煙距離；S為隧道開挖面積；Kv為重率高程校正系數(shù)。

按隧道內(nèi)同時工作機械設(shè)備排煙計算：

Q3=q3K1K2∑Ni

(3)

式中：q3為內(nèi)燃機每千瓦所需風(fēng)量；∑Ni為內(nèi)燃機功率之和；K1為內(nèi)燃機高海拔工作折減系數(shù)；K2為高海拔廢氣排量增加系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計資料和設(shè)計規(guī)范，風(fēng)量備用系數(shù)、每人每分鐘供給風(fēng)量、重率校正系數(shù)、內(nèi)燃機工作折減系數(shù)以及廢氣排量系數(shù)等均需考慮海拔因素影響，考慮高海拔修正后的計算參數(shù)見表2。結(jié)合公式(1)～(3)和海拔修正計算參數(shù)可得考慮不同因素下Q1，Q2和Q3的需風(fēng)量分別為441.6，1 600.13和1 588 m3/min。

表2　需風(fēng)量計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of air

1.2.3風(fēng)機選型

所需風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)壓可由下式計算：

(4)

h=h1+h2+h3

(5)

(6)

式中：Qmax為不同因素下需風(fēng)量的最大值；L為通風(fēng)距離；η為百米漏風(fēng)系數(shù)；h1動壓損失取50 Pa；h2沿程阻力損失；h3局部阻力損失取0 Pa；α為摩擦阻力系數(shù)；L1為風(fēng)筒長；U為風(fēng)筒周長；S1為風(fēng)筒斷面積。風(fēng)筒參數(shù)均由常規(guī)風(fēng)機配套風(fēng)筒確定，計算參數(shù)見表3。

表3　風(fēng)量和風(fēng)壓計算參數(shù)Table 3 Calculations of air volume and pressure

結(jié)合式(4)～(6)計算可得風(fēng)機風(fēng)量和風(fēng)壓分別為1 924.46 m3/min和2 240.52 Pa。通過對比選用一臺DP№12.5/2×55型對旋式隧道通風(fēng)機，風(fēng)機風(fēng)量為1 015～1 985 m3/min，風(fēng)壓為624～4 150 Pa，2極變速，通風(fēng)方式采用壓入式通風(fēng)。

2　現(xiàn)場監(jiān)測分析

2.1監(jiān)測方案及控制標準

2.1.1監(jiān)測方案

現(xiàn)場共布置了8個測試斷面，斷面里程為K117+680至K117+330，斷面間隔50 m，依次記為斷面1至斷面8，方案布置如圖1。測試內(nèi)容主要包括2部分，第1部分為打鉆、爆破、噴漿、出渣各工序下粉塵和CO沿隧道軸向分布規(guī)律；第2部分為典型施工工序下(粉塵選取噴漿工序，CO選取出渣工序)，典型斷面下(斷面7和斷面8)分別測試粉塵和CO隨通風(fēng)時間的變化規(guī)律，并對測試結(jié)果進行匯總分析。

圖1　壓入式通風(fēng)模式及測試方案布置Fig.1 Forced ventilation mode and test plan arrangement

2.1.2控制標準

目前，關(guān)于高原隧道施工CO和粉塵濃度規(guī)范涉及不全面，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中只提及了施工中CO濃度(見表4)，對于粉塵濃度只做了一般情況規(guī)定(平原區(qū)隧道)。對于高原隧道施工環(huán)境限值有一些初步研究，如謝尊賢等[17]參考國內(nèi)外對于環(huán)境衛(wèi)生標準研究了高原隧道施工環(huán)境指標限值，提出CO濃度限制為50 mm/km[18]；粉塵為含10%以上游離二氧化硅不得大于2 mg/m3，10%以下游離二氧化硅礦性粉塵不得大于4 mg/m3。

表4　CO濃度限值Table 4 CO concentration limit　mg/m3

注：MAC-時間加權(quán)平均容許濃度(8 h)；TWA-最高容許濃度；STEL-短時間接觸容許濃度(15 min)

2.2粉塵分析

圖2為不同施工工序粉塵濃度沿隧道軸向分布規(guī)律，圖3為噴漿作業(yè)工作區(qū)斷面7和斷面8粉塵濃度隨通風(fēng)時間的變化規(guī)律。

圖2　不同施工工序粉塵濃度沿隧道軸向分布Fig.2 Dust concentration along the tunnel axis of different construction process

圖3　噴漿工序斷面7和8粉塵濃度隨通風(fēng)時間的變化Fig.3 Section 7, 8 dust concentration change with ventilation time in spray process

由圖2可以看出，總體上粉塵濃度沿隧道軸向基本呈線性增加，越靠近掌子面工作區(qū)粉塵濃度越高；但不同施工工序粉塵濃度差異較大，其中出渣和噴漿2個施工工序粉塵濃度較高，其中噴漿時工作區(qū)最高達5.5 mg/m3，這是由于噴漿采用的是干噴混凝土技術(shù)，導(dǎo)致掌子面工作區(qū)處粉塵濃度積聚；結(jié)合圖3可以知，噴漿工序?qū)τ谡谱用婀ぷ鲄^(qū)斷面7和斷面8濃度較高，隨著通風(fēng)時間的增加，粉塵濃度呈指數(shù)規(guī)律逐漸降低，保持通風(fēng)可使粉塵濃度迅速降低，3 min后可低于2 mg/m3，滿足規(guī)范容許值，但隨著通風(fēng)時間的進一步增加，降塵效果不明顯，工作區(qū)仍會有部分粉塵存留。

2.3CO分析

圖4為不同施工工序CO濃度沿隧道軸向分布規(guī)律，圖5為出渣作業(yè)斷面7和斷面8 CO濃度隨通風(fēng)時間的變化規(guī)律。

圖4　不同施工工序CO濃度沿隧道軸向分布規(guī)律Fig.4 CO concentration along the tunnel axis of different construction process

圖5　出渣作業(yè)斷面7和8CO濃度隨通風(fēng)時間變化規(guī)律Fig.5 Section 7, 8 CO concentration change with ventilation time in spray process

分析圖4可知，總體趨勢上CO濃度變化基本與粉塵相同，沿隧道軸向線性增加，不同施工工序，CO濃度差異表現(xiàn)更明顯，出渣是最高的施工工序，工作區(qū)濃度最高達401 mm/km，而打鉆和噴漿作業(yè)CO濃度均保持在較低水平，即使在掌子面處也能滿足規(guī)范要求，這是因為隧道出渣方式采用無軌運輸，自卸汽車在出渣過程中不斷排放CO造成濃度積聚過高，而噴漿和打鉆時基本沒有CO 排放，因此全隧道均保持在較低水平；因此選擇通風(fēng)時應(yīng)對不同工序有針對性選擇。由圖5知，對于CO濃度最高的出渣工序，隨著通風(fēng)時間的增加，CO濃度也呈指數(shù)規(guī)律顯著降低，且開始一段時間效果明顯，時間越長越不明顯，當通風(fēng)時間超過5 min時，CO濃度達到較低水平基本滿足要求。

3　有害氣體濃度擴散分析與對比驗證

3.1基本假設(shè)

由于有害氣體在空氣中所占比例相對較小，故按連續(xù)介質(zhì)假設(shè)把空氣視為理想流體，通風(fēng)系統(tǒng)中，空氣流動主要是沿著縱向運動，因此可忽略其他2個方向的運動簡化為一維理想流體連續(xù)運動，且作如下假設(shè)：1)空氣為不可壓縮流體；2)忽略摩擦力的影響，忽略溫度變化影響；3)有害氣體濃度均勻分布在掌子面工作區(qū)，顆粒相在空間中有連續(xù)的速度、溫度和體積分數(shù)分布。

理想流體的流動滿足連續(xù)性方程：

(7)

式中：u，v和w分別為流體在x，y和z方向上的速度分量。

在不可壓縮的流體一維穩(wěn)定運動中，各斷面的流量均相同：

Q1=Q2=C

(8)

式中：Q1和Q2為不同斷面的流量，m3/s；C為常數(shù)。

3.2壓入式通風(fēng)分析

壓入式通風(fēng)方式如圖1，設(shè)通風(fēng)換氣長度為L，通風(fēng)管出風(fēng)口至掌子面的距離為L0，設(shè)隧道的斷面面積為Sz，風(fēng)管面積為Sd，風(fēng)速為v，則工作區(qū)間的容積為V=Sz·L0，設(shè)工作區(qū)間內(nèi)有害氣體的初始濃度為N0，通風(fēng)時間為t時濃度為Nt，把通風(fēng)時間分為n個時間段Δt。

由理想氣體的連續(xù)性可知：

Qz=Qd,Szvz=Sdvd

(9)

當通風(fēng)時間為Δt后，排出工作區(qū)間含有害氣體的污染空氣體積為QdΔt，同時有QzΔt的新鮮空氣進入工作區(qū)間，那么工作區(qū)間內(nèi)的濃度可表示為[8]：

(10)

(11)

式(11)為掌子面工作區(qū)的有害氣體濃度隨通風(fēng)時間的變化規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料，粉塵和CO濃度沿隧道軸向呈近似線性分布，因此假設(shè)有害氣體濃度沿隧道軸向是線性關(guān)系：

(12)

式中，l為任意斷面距風(fēng)管出風(fēng)口的距離。由式(11)和式(12)可以描述壓入式通風(fēng)模式下，有害氣體濃度在隧道內(nèi)的時空分布規(guī)律，即有害氣體濃度沿隧道軸向呈線性增加分布，掌子面工作區(qū)處隨通風(fēng)時間呈指數(shù)規(guī)律下降，圖6為不同風(fēng)量時工作區(qū)有害氣體濃度隨通風(fēng)時間的變化過程。

圖6　不同風(fēng)量下工作區(qū)有害氣體濃度變化Fig.6 Harmful gas concentration changes in workspace under different airflow

3.3對比分析

圖7～8分別為CO和粉塵沿隧道軸向的計算值與實測值的對比。計算值N0取斷面8處的平均值，進而通過式(12)計算得到軸向濃度分布，實測值為斷面處不同工序的平均值?？煽闯?，CO和粉塵濃度沿隧道軸向近似線性分布，計算值與實測值吻合較好，可以用計算公式(12)近似預(yù)測沿隧道軸向的有害氣體濃度分布。

圖7　隧道軸向CO濃度對比Fig.7 Comparison of CO along tunnel axial

圖8　隧道軸向粉塵濃度對比Fig.8 Comparison of dust along tunnel axial

圖9～10為掌子面工作區(qū)斷面8處CO和粉塵濃度隨通風(fēng)時間的變化對比。計算值由式(11)求得，N0取斷面8實測初始值，實測值為斷面8隨時間的實際變化平均值。可看出有害氣體在掌子面工作區(qū)隨通風(fēng)時間呈指數(shù)規(guī)律降低，計算值與實測值吻合較好，通過式(11)能夠預(yù)測不同監(jiān)測斷面有害氣體濃度隨時間的變化規(guī)律，可確定通風(fēng)風(fēng)量選擇更合適的通風(fēng)方式的提供依據(jù)。

圖9　工作區(qū)CO濃度對比Fig.9 Comparison of CO in workplace

圖10　工作區(qū)粉塵濃度對比Fig.10 Comparison of dust in workplace

3.4綜合優(yōu)化措施

基于以上分析知，通風(fēng)距離和通風(fēng)時間關(guān)系著CO和粉塵濃度，通風(fēng)距離越長CO和粉塵越以及時排除而造成超標；同一斷面處濃度通風(fēng)時間呈指數(shù)降低效果明顯，通風(fēng)是降低有害氣體濃度的有效措施，式(11)～(12)能夠預(yù)測有害氣體沿隧道軸向分布、任意斷面隨時間的分布，通過預(yù)測值我們可以選擇合理的風(fēng)機風(fēng)量和通風(fēng)時間。

然而雖然通風(fēng)是降低有害氣體的有效措施，但是正如實際測試結(jié)果一樣，僅僅依靠通風(fēng)難以徹底消除CO和粉塵，在通風(fēng)一段時間后不會像理論計算值一樣完全排出，仍然會有一定存留。對于高原隧道苛刻的環(huán)境要求應(yīng)考慮采用綜合措施，如灑水降塵、彌散供氧等，另外條件允許還可考慮施工技術(shù)優(yōu)化，如采用濕式鑿巖技術(shù)、濕噴混凝土技術(shù)等，多采用電動或風(fēng)動機械，少用或不用內(nèi)燃機械，從源頭上降低污染物的濃度，降低對施工通風(fēng)的要求，形成整體的高海拔寒區(qū)隧道施工環(huán)境控制體系，從而更容易達到隧道環(huán)境衛(wèi)生標準。

4　結(jié)論

1)結(jié)合高原隧道特點，考慮海拔因素進行風(fēng)機選型研究，利用現(xiàn)場測試手段，得到CO和粉塵沿隧道軸向分布基本呈線性增長規(guī)律，掌子面工作區(qū)處隨通風(fēng)時間的呈指數(shù)下降規(guī)律。

2) 基于流體力學(xué)假設(shè)分析壓入式通風(fēng)模式下有害氣體沿隧道軸向變化及任意斷面處隨通風(fēng)時間變化，進而得到隧道中有害氣體時空分布特征。并對計算值和實測值進行對比分析，兩者吻合較好，可用計算公式近似得到預(yù)測值，作為通風(fēng)參數(shù)選擇的依據(jù)。

3)實測結(jié)果表明，不同施工工序，粉塵和CO 濃度差異巨大，施工通風(fēng)必須針對不同工序合理選擇需風(fēng)量；對于高原隧道除加強通風(fēng)外，還應(yīng)采取灑水降塵，彌散供氧，濕噴混凝土技術(shù)等綜合措施，保證高原區(qū)隧道施工環(huán)境要求。

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Distribution of harmful gas concentration ofplateau tunnel under the forced ventilation mode

ZHANG Yuwei1，XIE Yongli1,2，LAI Jingxing1,2,3，LI Youyun1,2

(1.School of Highway, Chang'an University, Xi’an 710064, China；

According to the characteristics of plateau tunnel, the change-law of harmful along the tunnel axis is deduced. The time and space characteristics of harmful gas are then obtained with the time change-law and fluid mechanics principle. The distribution of CO and dust are obtained by using field test method and made comparisons with theoretical analysis. The results show that the harmful gas concentration is linearly distributed along the tunnel axis and the concentration in workplace changed exponentially with ventilation time. The concentration of CO and dust is different obviously in different construction progress, and different ventilation power should be used in different construction progress. The distance and time of ventilation are related to the concentration of CO and dust, and reasonable air volume and time should be selected according to theory value in different construction progress. Finally, comprehensive measures of plateau tunnel construction environment are suggested.

plateau tunnel; forced ventilation mode; harmful gas concentration; monitoring; distribution characteristics

2015-12-17

四川省交通廳科技項目(2012C5-3)；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2015319812140)

張玉偉(1989-)，男，山東淄博人，博士研究生，從事隧道工程研究；E-mail：1032659676@qq.com

U45

A

1672-7029(2016)10-1994-07